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超聲波處理高濃度有機廢水技術(shù)分析

發(fā)布日期: 2017-11-21  瀏覽人數:



      高濃度有機廢水主要分布在化工、冶金、煉焦、輕工、食品等行業(yè),對環(huán)境造成了嚴重的污染。按其性質(zhì)和來(lái)源大體可分為三大類(lèi):(1)易于生物降解的高濃度有機廢水,一般來(lái)自以農牧業(yè)產(chǎn)品為原料的工業(yè)廢水,如食品工業(yè)廢水;(2)高濃度有機廢水中的有機物是可以生物降解的,但廢水中含有其他有害物質(zhì),廢水主要來(lái)自制藥工業(yè)和部分化工行業(yè);(3)難于生物降解和含有有害物質(zhì)的高濃度有機廢水,主要來(lái)自合成化學(xué)行業(yè),如染料工業(yè)、農藥工業(yè)等。對于后兩類(lèi)廢水生物方法通常無(wú)法達到處理要求,而采用物理化學(xué)方法處理高濃度有機廢水,成本很高,每噸水處理費用達到數十元,高昂的處理費用使得大量高濃度難降解有機廢水得不到有效處理而排放,所以研究高濃度有機廢水的治理,完善其治理技術(shù),是十分迫切的任務(wù)。

  很多研究表明,生物降解過(guò)程中存在真一些具有共同特性的關(guān)鍵步驟,一般是跨越膜的傳質(zhì)過(guò)程和圍繞關(guān)鍵酶的反應過(guò)程,因此生物降解活性可能是其親脂性與電子效應的加和,以及其他次要因素(如立體效應等)的綜合反應。難以降解物質(zhì)之所以在生化過(guò)程中分解速率緩慢,是因為某些功能團難以為微生物打開(kāi),從而成為生化反應的限制步驟。如果能在預處理中破壞這些功能團,打開(kāi)其化合鍵,或者在芳香環(huán)中引入羥基而改變其結構,就可以打破這些官能團對生物降解的限制作用,極大地提高生化反應的速率,超聲波處理可以快速有效地做到這一點(diǎn)。

  利用超聲波降解水中的化學(xué)污染物,尤其是難降解的有機污染物,是近年來(lái)發(fā)展的一項新型水處理技術(shù)。它集高級氧化技術(shù)、焚燒、超臨界水氧化等多種水處理技術(shù)的特點(diǎn)與一身,具有反應條件溫和、速度快、適用范圍廣等特點(diǎn),可以單獨使用或與其他技術(shù)聯(lián)合使用,具有很大的發(fā)展潛力。超聲波能在水中引起空化效應,產(chǎn)生約4000K和100Mpa的瞬間局部高溫高壓環(huán)境(熱點(diǎn)),同時(shí)以約110m/s的速度產(chǎn)生具有強烈沖擊力的微射流的沖擊波。水分子在熱點(diǎn)達到超臨界狀態(tài),并分解成羥基自由基、超氧基等,其中,羥基自由基是目前所發(fā)現的最強的氧化劑。有機物在熱點(diǎn)發(fā)生化學(xué)鍵斷裂、水相燃燒、高溫分解、超臨界水氧化、自由基氧化等反應,這些效應加上聲場(chǎng)中的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)、次級衍生波等為有機物降解提供了其他方法難以達到的多種途徑。

  1、超聲降解有機物的動(dòng)力學(xué)研究
  有機物的超聲降解過(guò)程遵循表現一級反應動(dòng)力學(xué)規律。瞬間空化泡崩潰時(shí)釋放出的巨大能量是引起聲化學(xué)反應的主動(dòng)力,伴隨空化泡崩潰所產(chǎn)生的機械效應與化學(xué)效應反應在三個(gè)不同的空間內,即空化泡內部,此時(shí)空化泡本身猶如一個(gè)高溫高壓反應器;緊靠空化泡壁的氣(汽)液交界面;離交界面更遠一些的區域及主體溶液相,有機物將受到?jīng)_擊波及隨沖擊波擴散而來(lái)的活性自由基作用。
  2、超聲降解高濃度有機廢水的影響因素
 。1)、超聲波功率
  在超聲波作用下,有機物的降解通常遵守一級動(dòng)力學(xué)反應。超聲降解反應速率一般隨聲強的增大而增加,但強度過(guò)高會(huì )適得其反。因為聲能太大,空化泡會(huì )在聲波的負壓相長(cháng)得很大而形成屏障,使系統可利用的聲能反而降低,降解速率因此下降。
 。2)、超聲波頻率
  研究表明,高頻超聲波有助于提高超聲降解速率,這是由于羥基自由基的產(chǎn)率隨著(zhù)聲頻率的增加而增加。事實(shí)上,在超聲降解過(guò)程中,超聲強度和頻率之間有一個(gè)最佳匹配,而且頻率的選擇與被降解有機物的結構、性質(zhì)以及降解歷程有關(guān),并不是所有情況下高頻超聲波有利于降解。
 。3)、廢水中的溶解氣體
  溶解氣體對超聲降解速率和降解程度的影響主要有兩方面的原因:一是溶解氣體對空化泡的性質(zhì)和空化強度有重要的影響;另外溶解氣體如N2、O2產(chǎn)生的自由基也參與降解反應過(guò)程,因此,影響反應機理和降解反應的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為。超聲空化產(chǎn)生的最高溫度和壓力總是隨著(zhù)絕熱指數r增大而升高。對單原子氣體,r=1.666,而多原子氣體(如泡腔內的空氣、水蒸氣或有機物蒸氣)的絕熱指數總是小于單原子氣體,例如,從飽和的水溶液r=1.33.可見(jiàn),在超聲降解過(guò)程中,使用單原子稀有氣體總能提高降解的速率和程度。
 。4)、廢水的性質(zhì)
  液體的性質(zhì)如溶液黏度、表面張力、PH以及鹽效應都會(huì )影響溶液的超聲空化效果。溶液黏性對空化效應的影響主要表現在兩個(gè)方面:一方面它能影響空化閥值,另一方面它能吸收聲能。當然溶液黏度增加時(shí),聲能在溶液中的黏滯損耗和聲能衰減加劇,輻射溶液中的有效聲能減少,致使空化閥值顯著(zhù)提高,溶液發(fā)生空化現象變得困難,空化強度減弱,因此,黏度不太高有利于超聲降解。隨著(zhù)表面張力的增加,空化核生成困難,但是空化氣泡崩潰時(shí)產(chǎn)生的極限溫度和壓力升高,有利于超聲降解。當溶液中有少量的表面活性劑時(shí),溶液的表面張力迅速下降,在超聲波作用下有大量泡沫產(chǎn)生,但空化泡崩潰時(shí)產(chǎn)生的威力很小,因此不利于超聲降解。
 。5)、反應溫度
  溫度對超聲空化的強度和動(dòng)力學(xué)過(guò)程具有非常重要的影響,從而造成超聲降解的速率和過(guò)程的變化。溫度升高會(huì )導致氣體溶解度減小,表面張力降低,飽和蒸氣壓增大,這些變化對超聲空化是不利的。一般生化學(xué)效率隨溫度的升高呈指數下降,因此,聲化學(xué)過(guò)程在低溫(20℃)進(jìn)行較為有利,超聲降解一般都在室溫下進(jìn)行。
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